【摘要】：膜分離技術與傳統(tǒng)的分離技術相比具有分離選擇性好、能耗低、對環(huán)境友好等優(yōu)點,一直被學術界和產(chǎn)業(yè)界所廣泛關注和重視。在氣體分離領域,ZIF-8膜和NaA分子篩膜分別是金屬咪唑骨架(ZIFs)膜和分子篩膜中最具代表性的一種,都擁有著出色的孔徑大小(分別為3.4?和4.0?),規(guī)整的孔道結構,被廣泛應用到小分子氣體(如H_2,N_2,CO,CO_2和CH_4)分離的研究中。目前,經(jīng)過眾多科研工作者的努力,ZIF-8膜和NaA分子篩膜在氣體分離領域中的應用都取得了不錯的進展,但是在面對工業(yè)化的時候還是有些力不從心,究其原因主要在于,載體表面形貌不均勻、膜層和載體的結合力較弱及熱膨脹系數(shù)相差較大,因此難以有效地形成致密連續(xù)的膜層。此外,研究報道中的膜材料一般均采用面積較小的片狀載體,處理面積較小且不易于大面積組裝。因此,本論文選用長度為17cm,內徑為0.8cm,外徑為1.2cm的α-Al_2O_3陶瓷管為載體,采用原位生長的方法在載體內表面生長一層均勻的片狀無機過渡層,改善和優(yōu)化了載體表面的物理和化學性能,從而促進了致密連續(xù)且分離性能良好的ZIF-8膜和NaA分子篩膜的合成。主要實驗內容和結果如下:(1)陶瓷管內表面原位生長片狀ZnO過渡層為了改進和修飾載體表面的性能,通過原位水熱合成的方法在陶瓷管內表面生長了片狀ZnO過渡層�？疾炝烁饔绊懸蛩�(包括:草酸、環(huán)六亞甲基四胺、合成液濃度以及合成溫度)對合成片狀ZnO過渡層結構和形貌的影響,并獲得了片狀ZnO的優(yōu)化合成條件:合成液摩爾組成1 Zn(NO_3)_2·6H_2O:2HMT:0.1 H_2C_2O_3:275 H_2O,合成溫度80℃、合成時間6h。采用該條件,可以在陶瓷管內表面生長一層由片狀納米ZnO構筑的網(wǎng)絡結構。該結構有利于后續(xù)ZIF-8膜合成時晶種的吸附和晶體的生長。(2)ZnO過渡層修飾的載體管內表面上合成ZIF-8膜以ZnO過渡層修飾的陶瓷管為載體,采用溶劑熱合成方法在陶瓷管內表面合成了ZIF-8膜�？疾炝烁饔绊懸蛩�(包括:甲酸鈉、2-甲基咪唑、合成液濃度以及合成次數(shù))對ZIF-8成膜和氣體滲透方面的影響,得出了在ZnO過渡層上合成ZIF-8膜的最佳條件為:合成液的摩爾組成為1 ZnCl_2:2 Hmim:0.85 NaCOOH:300CH_3OH,合成溫度100℃、合成時間6h,合成次數(shù)3次。得到的膜層對H_2/N_2的理想選擇性達到了5.84,H_2的滲透通量為2.72×10~(-7) mol·m~(-2)·s~(-1)·Pa~(-1),N_2的滲透通量4.66×10~(-8) mol·m~(-2)·s~(-1)·Pa~(-1)。對比實驗表明,在未經(jīng)ZnO過渡層修飾的陶瓷管上幾乎不能合成出ZIF-8膜。因此,片狀ZnO過渡層不僅能夠很好的連接膜層與載體,還提供了較多的活性位點,且能夠溶解轉化,很好的解決了ZIF-8與載體之間異質成核困難的問題促進成膜。(3)陶瓷管內表面原位生長片狀鎂鋁水滑石過渡層在陶瓷管內表面原位合成得到了由片狀鎂鋁水滑石構筑的網(wǎng)絡結構過渡層�？疾炝撕铣蓵r間、合成溫度、堿含量以及鎂鋁比對鎂鋁水滑石結構和形貌的影響,得到了合成規(guī)整片狀結構鎂鋁水滑石過渡層的最佳摩爾組成:6 MgCl_2·6H_2O:2Al(NO_3)_3·9H_2O:20 NaOH:1 Na_2CO_3:666 H_2O,合成溫度為90℃,合成時間為24h。(4)片狀鎂鋁水滑石過渡層修飾的陶瓷管內表面上微波合成NaA分子篩膜采用微波合成的方法,通過考察二氧化硅含量、堿含量、水含量以及合成溫度等條件對分子篩膜的結構、形貌、分離選擇性、氣體滲透通量等方面的影響,獲得了NaA分子篩膜在微波合成的條件下的最佳條件。合成液的摩爾組成為3Na_2O:2 SiO_2:1 Al_2O_3:200 H_2O,室溫老化24h,微波合成的溫度為5min升到90℃并保溫30min。得到的NaA分子篩膜對H_2/N_2的理想選擇性為4.75,H_2的滲透通量為4.69×10~(-6) mol·m~(-2)·s~(-1)·Pa~(-1),N_2的滲透通量為9.87×10~(-7) mol·m~(-2)·s~(-1)·Pa~(-1)。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ051.893
【圖文】：

無機氧化物過渡層修飾陶瓷管上 ZIF-8 膜和 NaA 分子篩膜的合成1.2 氣體分離膜的分類經(jīng)過近半個世紀的快速發(fā)展，人們對氣體分離的研究越來越深入，越來越多功能材料被應用于氣體分離領域。按照材料的性質不同，可以把氣體分離膜材劃分為：無機膜材料，有機高分子膜材料、金屬有機骨架膜材料以及復合基質材料。.2.1 無機膜材料無機膜材料是指主要以陶瓷、金屬、玻璃、金屬氧化物、硅酸鹽、沸石以及素等無機材料所制備的選擇性分離薄膜。根據(jù)材料的結構性質，無機膜可以分致密膜和多孔膜。具體分類如圖 1.1：

碩士學位論文名并報道。ZIF-8 是由過渡金屬 Zn2+與有機配體 2-甲基咪唑配位形成，具有共性質的咪唑五元環(huán)中的 N原子失去一個質子與金屬離子配位形成 M-Im-M（M：屬離子；Im：咪唑酯）結構，其連接方式類似于沸石分子篩中的 Si-O-Si 結構，成的鍵角都為 145°。ZIF-8 的晶型結構屬于方鈉石結構，具有 6 圓環(huán)的孔道結，孔直徑為 3.4 。

文獻調研發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過近十年的發(fā)展，ZIF-8 成膜的研究大多還集中在片狀載體，在曲率較大的管狀載體上成膜的報道相對較少。相對于片狀載體，管狀載體處理面積一般較大、易于大面積工程化組裝。但管狀載體因為曲率較大，存在較大的界面應力，對于異相成核困難的 ZIF-8 來說，在陶瓷管內壁上生成致密續(xù)的膜層變得更加的困難。因此，如何在管狀載體表面制備，致密無缺陷的高能 ZIF-8 膜是一個較大的挑戰(zhàn)。3.3 NaA 分子篩NaA 分子篩是屬于立方晶系的硅鋁酸鹽化合物，結構單元是由 8 個 Si、Al、原子彼此連接形成的β籠，β籠之間通過四元環(huán)連接并通過空間排列行成的 α 籠 構 ， 因 此 NaA 分 子 篩 具 有 八 元 環(huán) 的 孔 道 結 構 ， 其 化 學 組 成 通 式 為 ：2O·Al2O3·SiO2·xH2O，空間結構如下圖所示[78]。因為 O-Al-O 組成的四面體結構負電性，需要正電性的 Na+離子來中和，因此在β籠中的六圓環(huán)孔道被 Na+占據(jù)，成 NaA 分子篩中起到分離作用的只有 α 籠的八元環(huán)孔道，其自由直徑為 ×4.1 。

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 張延風,許中強,陳慶齡;用水熱法在氧化鋁陶瓷膜管上原位合成絲光沸石膜[J];催化學報;2001年04期

本文編號：2772535